多轴运动控制系统和实时通信网络

多轴运动控制系统和实时通信网络

贝加莱工业自动化（上海）有限公司叶莘

在现代机械制造中，多轴运动控制已经越来越普遍，用电子方式来实现机械运动轴之间协调同步，取代了传统的机械凸轮和齿轮，给机械设计制造带来了巨大的灵活性。以往只有通过复杂的机械设计和加工才能实现的运动过程，现在可以通过软件编程轻松实现。而且，使用电子运动控制，精度更高，动态性能更好，没有机械损耗，使维护变得方便而简单。用户可以实现更加灵活的，模块化的机械结构。

在几乎所有的机械制造领域中，特别如纺织机械，印刷机械，包装机械，塑料机械，食品机械等，多轴运动控制的应用已经非常广泛，成为高性能，高品质机械制造的重要标志。

运动控制的核心是驱动系统，数据传输方式也逐渐由模拟量发展成基于总线的数字信号传输。为了有效协调同步各个轴的运动过程，实现高精度的多轴运动控制，一个实时高效的数字通信网络是必不可少的。

本文将讨论高精度多轴运动控制对通信网络提出了什么样的要求。然后以全球首个真正实时的工业以太网ETHERNET Powerlink为例，介绍一个完全符合这些要求的运动控制网络。

1. 多轴运动控制的模式和发展趋势

在多轴运动控制中，各个厂商提供的控制理念和模式不尽相同，各种类型都有其优缺点，用户要根据自己的实际需求来选择方案。

大体来说，控制模式可以从2个层面上区分：驱动单元和总体架构。从单个驱动单元来看，可以从智能集成度划分等级，从总体控制架构来看，有分布式和集中式2种模式不同的解决方案对通信网络的要求也不一样，下面我们先介绍一下上面提到的控制模式，以及它们分别对通信系统的要求。

驱动单元：非智能型和全智能型

对于单轴的驱动器来说，可以对它内部的智能集成度来进行划分。驱动系统的核心作用是按照控制要求驱动电机。可控的物理量有三个：扭矩，速度，位置。传感器把这三个物理量反馈到控制系统，由控制系统进行计算和输出，实现对这三个量的闭环控制，从而实现运动控制。众多厂商提供的驱动器按智能集成度大体可以分成三种类型：

1. 开环式驱动器

2. 自带电流闭环控制，速度闭环控制，有时也带位置闭环控制的驱动器

3. 集成运动控制系统的全智能型驱动器

第一种开环式的驱动器是一个单纯的执行机构，它本身只是一个放大器，把控制信号放大输出给相应功率的电机完成运动过程，所有的控制协调功能都由外部控制系统实现。

第二种驱动器自身集成了最多3层叠加的闭环控制。最底层是电流闭环，用来调制输出扭矩，在此基础上实现速度闭环，最上一层为位置闭环。这里的位置闭环只是相对于电机转子的旋转位置而言。如果要实现某种特定运动过程，比如在设定速度下精确定位，还需要外部的智能设备（运动控制系统）。

第三种类型是集成运动控制系统的驱动器，系统本身除了有三层闭环控制的功能外，也集成了运动控制系统，具有很高的智能，客户可以直接对其进行编程。机械行业应用中的典型运动过程，如包装机械，印刷机械，塑料机械中的常见的机械动作，被优化成软件工艺模块集成到驱动器内。用户不需要再对系统进行复杂的编程，直接给相应的工艺模块赋予参数就可以实现这些复杂动作。有些驱动器内甚至还集成PLC功能。这类驱动器不需要外部的控制系就可以单独完成复杂的运动控制。

图1：几种不同的驱动器类型

集中式和分布式

从控制系统架构来看，多轴运动控制可分为集中式和分布式。如果用上述第一，第二种驱动器（低智能型），多轴运动控制则被集中完成，由一个运动控制单元（如运动控制卡）

控制多个低智能型驱动器完成多轴运动控制。

图2：集中式多轴运动控制

集中式多轴运动控制在机器人领域比较常见，通常由一个运算能力强大的中央控制系统来协调计算各个驱动系统单元，完成复杂的三维动作。

使用上述第三种驱动器（高智能集成型），相应的多轴控制任务可以直接分布到各个驱动单元中去，实现完全分布式的多轴运动控制。

图3：分布式多轴运动控制

分布式多轴运动控制的优势主要体现在模块化的机械制造当中，每个机械单元可以独立工作，用户可以对机械进行灵活的配置，实现柔性生产。

驱动器中集成安全功能

在涉及到人员和物品安全的领域，安全功能必须得到保证, 国际上已经出台了相应的法律法规，在不同的机械制造行业中，越来越多的设备中必须配备专门处理安全任务的驱动器。国际上已经为此制定了设备安全方面的重要标准IEC 61508。可以预见，今后很多设备必须符合这个标准才能够投放到市场当中去。

带有集成安全功能的标准智能驱动器是目前的发展趋势，带有安全功能的驱动器可以在紧急情况下，自动将设备减速到一个非危险状态，或安全地停止整个设备。甚至在其他控制系统出现故障的情况下，安全功能也必须得到保证。

2. 多轴运动控制对通信网络的要求

数据量，通信周期，时间同步性

多轴运动控制对通信网络最核心的要求是实时性，除此之外，也需要考虑以下因素：

•数据交换的频繁度，（通信周期），

•各个站点之间的通信关系，

•数据包的大小，

•站点间的时间同步精确度，

在集中式的控制模式中，有时候甚至电流（扭矩）的闭环控制也是由外部中央控制系统完成。交换的数据主要是传感器反馈的实际值和主控单元发出的设定值，这些数据被放在在很小的数据包里，很频繁地在穿梭在主控单元和各驱动器之间，系统偶尔可能要读取一下如驱动器温度等诊断参数。这样，通信周期越短越好，通常在50us或更小。通信关系是主控单元对各个驱动器单元间的双向通信，驱动器单元之间无需数据交换。

图4：集中式运动控制中的典型数据交换

在分布式控制模式中，位置，速度，电流闭环在各驱动器单元内部完成，为了协调各轴的动作，需要交换的数据包就相对要大一些，主要包含位置，速度，电流等信息。由于像闭环控制这样的对运行周期时间和精度都要求很高的任务已经在驱动器单元内部完成，它们之间的数据交换就可以相对慢一些，速度信息通常每400us左右交换一次，位置信息1－2ms 交换一次即可。各站点之间通信关系可以是任意的，主控系统和驱动器单元，以及驱动器单元间应该可以任意点对点通信。

图5：分布式运动控制中的典型数据交换